Химические вещества как строительные и поделочные материалы
Химические вещества широко используются не только для проведения химических экспериментов, но и для изготовления различных поделок, а также в качестве строительных материалов.
Химические вещества, как строительные материалы
Рассмотрим ряд химических элементов, которые применяются в строительстве и не только. Например, глина – мелкозернистая осадочная горная порода. Она состоит из минералов группы каолинита, монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов. Она содержит песчаные и карбонатные частицы.
Глина является хорошим гидроизолятором. Данный материал применяют для изготовления кирпичей и в качестве сырья для гончарного дела.
Мрамор также является химическим материалом, который состоит из рекристализованного кальцита или доломита. Окраска мрамора зависит от примесей в него входящих и может иметь полосчатый или пестрый оттенок.
Благодаря оксиду железа мрамор окрашивается в красный цвет. С помощью сульфида железа он приобретает сине-черный оттенок. Другие цвета также обусловлены примесями битумов и графита.
В строительстве под мрамором понимают собственно мрамор, мраморизованный известняк, плотный доломит, карбонатные брекчии и карбонатные конгломераты. Его широко используют в качестве отделочного материала в строительстве, для создания памятников и скульптур.
Мел также является осадочной горной породой белого цвета, которая не растворяется в воде и имеет органическое происхождение. В основном, он состоит из карбоната кальция и карбоната магния и оксидов металла. Мел используется в:
Область применения данного химического материала весьма разнообразна.
Эти и еще многие другие вещества можно использовать в строительных целях.
Химические свойства строительных материалов
Поскольку строительные материалы – это тоже вещества, они имеют свои химические свойства.
К основным из них относятся:
Химические свойства материалов необходимо учитывать при проведении строительных работ, чтобы не допустить несовместимости или нежелательной совместимости некоторых строительных веществ.
Композитные материалы химического отверждения
Что такое композитные материалы химического отвержения и для чего они применяются?
Это такие материалы, которые представляют собой систему из двух компонентов, например, «порошок-паста» или «паста-паста». В данной системе один из компонентов содержит химический катализатор, обычно это пероксид бензола или другой химический активатор полимеризации.
При смешивании компонентов начинается реакция полимеризации. Данные композитные материалы чаще используют в стоматологии для изготовления пломб.
Нанодисперсные материалы в химической технологии
Нанодисперсные вещества применяются в промышленном производстве. Их используют в качестве промежуточной фазы при получении материалов с высокой степенью активности. А именно при изготовлении цемента, создании резины из каучука, а также для изготовления пластмасс, красок и эмалей.
При создании резины из каучука, к нему добавляют тонкодисперсную сажу, что повышает прочность изделия. При этом частицы наполнителя должны быть достаточно мелкими, чтобы обеспечить однородность материала и иметь большую поверхностную энергию.
Химическая технология текстильных материалов
Химическая технология текстильных материалов описывает процессы подготовки и обработки текстильных изделий с помощью химических веществ.
Знание данной технологии нужно для текстильных производств. Данная технология базируется на неорганической, органической, аналитической и коллоидной химии. Суть ее заключается в освещении технологических особенностей процессов подготовки, колорирования и заключительной отделки текстильных материалов различного волокнистого состава.
Об этих и других химических технологиях, например, такой, как химическая организация генетического материала можно узнать на выставке «Химия». Выставка пройдет в Москве, на территории «Экспоцентра».
Строительство и химические материалы Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»
Текст научной работы на тему «Строительство и химические материалы»
Л.И. Лаптева, В.В. Овчинников
СТРОИТЕЛЬСТВО И ХИМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
В настоящей статье нет возможности подробно остановиться на всех аспектах использования химических веществ и материалов в строительстве, однако некоторые основополагающие разделы строительной химии важно рассмотреть более подробно.
Теоретическое обоснование химических проблем, с которыми встречается строитель в практической деятельности, должно основываться на фундаменте
физической химии, оперирующей многими методами, среди которых химическая термодинамика является наиболее важным. Так, химическая термодинамика привлекается для анализа теоретической прочности твердых тел, изучения поверхностных явлений, выполняющих важную роль при понимании проблем склеивания, пленкообразования, фазовых и энергетических переходов. Термодинамический анализ позволяет также обосновать механизмы протекания процессов гидратации минеральных вяжущих и устойчивость гидратных образований, от которых зависит прочность бетонов. Знание максимального тепловыделения, равно как и его скорости, необходимо при выборе цемента для гидротехнических и иных видов строительства; без термодинамического анализа трудно оценить процессы коррозии строительных материалов и их защиты. Термодинамика играет важную роль в подведении теоретического фундамента под многочисленными химическими и физико-химическими процессами в строительном производстве [1].
Средние энергии связей (кДж) некоторых минералов
Формула Связь Энергия
3 СаО*2БЮ2* 1, 17Н2О Са—О 588,3
СаБО4*0,5Н2О Са—О 651,9
СаБО4*2Н2О Са—О 694,5
БЮ2 (кварц) Б1—О 443,5
С помощью термохимических расчетов удается определить энергии связей между различными атомами. Важно подчеркнуть, что знание этих величин представляет не только научный, но и практический интерес, поскольку позволяет определить количество энергии, необходимой на разрушение (разрыв) и образование тех или иных химических связей в реакции. Применительно к веществам, которые входят в составы строительных материалов, вслед за известными физико-химиками В.И.Бабушкиным и О.П.Мчедловым-Петросяном, в течение длительного времени занимавшихся исследованиями в этой области, можно охарактеризовать средние энергии образующих их связей (табл. 1) [1,2].
Из сопоставления средних значений энергий связи Ca-O в вяжущих веществах и их гидратных образованиях следует, что включение молекул воды (гидратация) способствует увеличению энергии этой связи и поэтому энергетически выгодно. К этому следует добавить, что получение силикатов кальция из устойчивых форм SiO2 и CaO требует затраты энергии и поэтому осуществляется в автоклавах при высокой температуре.
Силикаты металлов и вяжущие материалы
Основу силикатных соединений составляют неорганические кислородные соединения кремния, включающие в себя тетраэдрическую группу ^Ю4]4- с силоксановыми (
30% ионности) связями Si-O и Si-O-Si; причем их характерной особенностью является способность ассоциировать друг с другом, образуя циклические, длинные ленточные, двумерные и слоистые (пространственные) структуры [3].
Атомы Li, №, ^ Be, Mg, Ca, Fe, B, Al и др., входящие в состав силикатов, связаны с атомами кислорода ковалентно-ионными связями. Состав силикатов усложняется их склонностью к образованию твердых растворов. Под конституцией понимают структуру веществ, наличие в решетке определенных группировок атомов или ионов, природу и прочность связей в решетке, способность элементов решетки вступать в реакции и замещаться другими элементами. Конституция силикатов трактовалась прежде в свете
алюмоосновной и алюмокислотной теорий. Согласно первой из них, утверждалось, что все силикаты, содержащие металлы, являются солями различных кремниевых кислот.
3CaO*Al2O3 + 15ЦР ^ 0.75(CaO*Al2O3*19H2O) + 0.25(Al2O3*3H2O).
Не затрагивая особенностей химической основы получения и технологии мономинеральных низкоосновных вяжущих материалов, таких как однокальциевый алюминат, пятикальциевый трехалюминат, однокальциевый двухалюминат и другие, отметим лишь, что эти процессы, осуществляемые при высокой температуре, характеризуются получением термодинамически неустойчивых, метастабильных фаз, обусловливающих многие практически полезные свойства вяжущих.
3СаО*28Ю2*3Н2О, а также гидросиликаты с отношением СаО : 8Ю2 = 1.7^2.
В настоящее время получены прочные структуры твердения при автоклавной обработке веществ, состоящих не только из атомов кальция, кислорода и кремния, но и из элементов других групп Периодической системы элементов Д.И.Менделеева. В силу этих причин, проблему твердения минеральных вяжущих можно условно расположить на вершине пирамиды, средней частью и основанием которой служат разделы аналитической, коллоидной, физической химии и кристаллохимии.
Коррозия строительных материалов
С позиций термодинамики все коррозионные процессы протекают в направлении образования веществ, более стойких (имеющих более отрицательное значение энтальпии образования) в данных условиях по сравнению с исходными 2. Таким образом, долговечность строительных материалов определяется их свойствами и агрессивностью окружающей среды. Для оценки возможности протекания реакции коррозии необходимо:
б) написать уравнения всех предполагаемых и имеющих место реакций в изучаемой термодинамической системе;
Например, рассмотрим взаимодействие твердого тоберморита с газообразным сернистым газом в присутствии кислорода воздуха и воды:
1/5 5СаО*68Ю2*5.5Н2О (ж) + 8О2 (г) + 0.9Н2О (ж) Са8О4*2Н2О (кр) + 6/5 8Ю2 (кр).
Таким же образом проводят расчеты для взаимодействия составных частей цементного камня
и бетона с углекислым газом и сероводородом [4].
Аналогично можно оценить возможность взаимодействия составных частей цементного камня и бетона в средах с различным значением рН.
3СаО*8Ю2+Н2О ^ 2СаО*8Ю2 + Са(ОН)2 Са(ОН)2 + СО2 СаСО3 + Н2О.
Основные случаи коррозии бетона вызываются, в основном, действием на него растворов солей, содержащихся в природных и промышленных водах. Большое разнообразие химических веществ, находящихся в водной среде, соприкасающейся с бетоном, не позволяет дать полную классификацию соединений по их агрессивному действию на бетон, однако приближенное деление по характеру коррозионных процессов возможно. Так, коррозионное действие кислот тем сильнее, чем более растворимы их кальциевые соли. В силу этих причин, даже достаточно слабая уксусная кислота относится к сильно агрессивным средам по отношению к бетону.
В бетоне, как правило, процессы осложняются возможностью образования более сложных соединений. В частности, при действии хлористого кальция на бетон хлорид-ион будет связываться гидроалюминатами кальция и образовывать гидрохлоралюминаты кальция по следующей схеме: 3СаО*А12О3*6Н2О + СаС12 *4Н2О ^ СаО*А12О3*Саа2*ШН2О.
Полимеры в строительстве
В последнее время особую популярность приобрели лакокрасочные материалы, а также различные полимерные материалы в качестве разнообразных защитных и декоративных покрытий. В этом отношении полимерное связующее должно обеспечивать достаточную твердость, необходимую эластичность, повышенную износостойкость и гидравлическую устойчивость. Поэтому направление исследований в этой области связано зачастую с исследованиями кинетики отверждения термопластичных, в частности, полиуретанов и феноксисмол [6], продуктов очистки эпоксидных полимеров, используемых для покрытий [7], и многое другое.
Весьма краткое рассмотрение некоторых вопросов химизации строительства заставляет задуматься о перспективах ее развития: будут ли в дальнейшем интенсивно развиваться процессы внедрения новейших достижений химии в строительное дело, получат ли развитие физико-химические методы контроля качества строительных материалов, как может осуществляться подобное развитие? Оценивая имеющийся накопленный опыт, можно полагать, что достойное место среди конструкционных материалов займут стеклопластики, теплоизоляционные и отделочные полимерные материалы, которые могут значительным образом изменить как технологию строительства, так и облик сооружений. Введение в строительные материалы и композиции новых типов металл- и элементоорганических низко- и высокомолекулярных соединений может придать свойства негорючести и биостойкости, сочетания прочности и эластичности. Активнее должны применяться изделия из небьющегося стекла, прозрачные материалы и новые клеящие и лакокрасочные композиции с высокой адгезией к бетону и металлу. По-прежнему высок спрос на металлоконструкции, использование прочных и легких сплавов. Сочетание различных неорганических и органических материалов должно привести к созданию новых видов стеклопластиков, бетонов, армированных материалов. Внедрение в строительную практику элементов химической кибернетики, автоматических устройств для анализов, рентгеноструктурного и газового анализов позволит прогнозировать долговечность изделий, конструкций и элементов зданий и сооружений с учетом длительного воздействия на них разнообразных агрессивных сред и разрабатывать эффективную защиту от последних.
Сырьевая база производства строительных материалов
Сырьевой базой производства строительных материалов являются горные породы, а также техногенное и органическое природное сырье. На долю сырья в себестоимости продукции приходится более 50%. Использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Многие отходы по составу и свойствам близки к природному сырью. Все отходы разделяются на две большие группы: минеральные и органические. Преобладающее значение имеют минеральные отходы. К минеральным техногенным отходам относятся: шлаки черной металлургии, отходы цветной металлургии, золы и шлаки тепловых электростанций, вскрышные породы, отходы угледобычи и углеобогащения, гипсовые отходы химической промышленности, отходы промышленности строительных материалов, пиритные огарки, электротермофосфорные шлаки, вторичные ресурсы.
Органическим природным сырьем являются отходы древесины и лесохимии (кора, пни, вершины, ветви, сучья, горбыль, стружки, щепа, опилки).
Минералы, горные породы: основные понятия
Природными каменными материалами называют материалы и изделия, получаемые механической обработкой горных пород (дроблением, раскалыванием, распиливанием и др. способами), или без механической обработки (сортировкой, обогащением, очисткой, мойкой).
Горные породы находят применение в промышленности строительных материалов как сырье для изготовления керамики (глины, каолины), стекла (кварцевый песок, известняк), теплоизоляционных изделий (базальт, диабаз, диатомит, трепел, опока, доломит, хризотил-асбест), огнеупоров (доломит, кварцит). Для производства неорганических вяжущих веществ применяют различные виды известняков, глину, мергель, мел, доломит, гипс, ангидрит, опоку, трепел, вулканические туфы, трассы. В качестве заполнителей для растворов и бетонов используют песок, гравий и щебень (из гранита, диабаза, базальта, известняка). Для изготовления каменных строительных материалов и изделий (облицовочные плиты, ступени, плиты для полов, камни и блоки для стен, бортовые камни, брусчатка и т.д.).
Горная порода – это скопление минеральных агрегатов в земной коре, обладающих более или менее постоянным составом и свойствами. Она может быть мономинеральной, состоящей из одного минерала (гипс, магнезит, доломит и др.) или полиминеральной – из нескольких минералов (гранит, диабаз и др.).
Минерал – это химический элемент (самородная медь, сера, платина) или соединение (кварц, кальцит и др.), однородное по своему состав, строению и свойствам, образующееся в результате природных физико-химических процессов в земной коре, водной оболочке или атмосфере.
По своему состоянию большинство минералов являются твердыми кристаллическими телами (кварц, полевой шпат и др.), но встречаются и коллоидно-дисперсные (опал, халцедон, монтмориллонит) и жидкие, например, ртуть. К настоящему времени известно несколько тысяч минералов, но лишь около 50 из них слагают горные породы, используемые в строительстве.
Главные минералы в составе определенной горной породы образуют более или менее постоянные сочетания и обусловливают основные свойства породы. Например, в граните породообразующие минералы различных групп составляют: полевые шпаты – 40…70 %, кварц – 20…40 %, слюда – 10…20 %; в составе мрамора – преимущественно минерал кальцит – 90…100 %.
Горные породы, входящие в состав земной коры, весьма разнообразны как по своему происхождению, так и по составу и свойствам. Обычно горные породы классифицируют по условиям их образования в земной коре на три основные группы: магматические, осадочные и метаморфические (по Ф.Ю. Левинсон-Лессингу).
Магматические или изверженные (первичные) горные породы образовались непосредственно из расплавленной магмы. В зависимости от условий охлаждения (отвердевания) магмы различают два вида магматических пород: глубинные и излившиеся.
Глубинные породы образовались в глубине земной коры при медленном, сравнительно равномерном остывании магмы и значительном давлении верхних слоев, что способствовало процессам кристаллизации; они имеют зернисто-кристаллическое строение, однородную текстуру, большую плотность, высокую прочность на сжатие и морозостойкость, низкое водопоглощение и большую теплопроводность. К ним относятся: гранит, сиенит, габбро и др.
Излившиеся породы образовались вблизи и на поверхности земной коры при быстром остывании магмы. Некоторая часть магмы, излившаяся на поверхность, уже содержала кристаллы отдельных минералов, поэтому в большинстве случаев эти породы состоят из отдельных хорошо сформировавшихся кристаллов, вкрапленных в основную скрытокристаллическую массу. Такое строение называют порфировым. К излившимся породам относятся: кварцевый порфир, андезит, диабаз, базальт.
При очень быстром охлаждении расплавленной магмы, выбрасываемой при извержении вулканов, породы приобретают пористое аморфное (стекловидное) строение. К таким породам относятся: рыхлые (вулканические пеплы, пески) и сцементированные (вулканические туфы, трассы и др.).
Осадочные (вторичные) горные породы образовались в результате разрушения или выветривания магматических пород, химической или биологической переработки природного минерального сырья. Обычно они залегают пластами, слоями.
К этой группе относятся:
1. Механические осадки: рыхлые (песок, щебень, гравий, глина) и сцементированные (песчаник, брекчия, конгломерат).
2. Органогенные осадки: растительные (фитогенные) – трепел, диатомит, опока; животные (зоогенные) – мел, известняк-ракушечник, известняки.
3. Химические осадки: некоторые виды известняков, доломит, магнезит, гипс, ангидрит.
Метаморфические или видоизмененные горные породы образовались из магматических или осадочных горных пород под влиянием высоких температур, давления и других факторов. К этой группе относятся: гнейсы, образовавшиеся, главным образом, из гранита, мраморы – из известняков и доломитов, кварциты – из кремнистых песчаников, глинистые сланцы – из глин.
Породообразующие минералы
Минералы классифицируют по различным принципам: по внешнему виду, происхождению и физическим свойствам, химическому составу, кристаллохимическим и кристаллографическим особенностям.
Наиболее важной с инженерно-строительной точки зрения является кристаллохимическая классификация, согласно которой минералы систематизированы с учетом химического состава и особенностей строения, выделяется 11 классов минералов в соответствии с их распространением в земной коре. Наиболее часто встречаются минералы следующих классов: силикаты, оксиды и гидрооксиды, карбонаты, сульфаты, галоидные соединения, сульфиды. Наряду с классами принято выделять группы минералов. Например, в классе силикатов имеются группы алюмосиликатов, ортосиликатов, метасиликатов и др. В группу алюмосиликатов входят полевые шпаты, фельдшпатиды, слюды.
Характеристики минералов и горных пород складываются из следующих признаков и показателей: внешнего вида (цвет, блеск), строения, химического состава для минералов, минерального состава для горных пород, истинной плотности для минералов ρ, средней плотности для горных пород ρm, предела прочности при сжатии или изгибе Rсж или Rизг, стойкости против выветривания, температуры плавления и др.
Специфическими характеристиками минералов являются следующие:
Твердость оценивается по шкале твердости Мооса, в которой минералы расположены в порядке возрастания твердости (табл. 3.1):
Стандартная шкала твердости минералов (шкала Мооса)
| Твердость | Минерал | Химическая формула |
| 1 | Тальк | 3MgO∙4SiO2∙H2O |
| 2 | Гипс | CaSO4∙2H2O |
| 3 | Кальцит | CaCO3 |
| 4 | Флюорит (плавиковый шпат) | CaF2 |
| 5 | Апатит | Ca5[PO4]3F |
| 6 | Ортоклаз | K2O∙Al2O3∙6SiO2 |
| 7 | Кварц | SiO2 |
| 8 | Топаз | Al2[SiO4][F, OH]2 |
| 9 | Корунд | Al2O3 |
| 10 | Алмаз | C |
Спайность – это способность некоторых кристаллических минералов раскалываться или расщепляться по определенным плоскостям с образованием гладких поверхностей. Различают следующие виды спайности:
— весьма совершенную – минерал легко расщепляется на отдельные пластинки или листочки с образованием одной гладкой плоскости спайности (тальк, мусковит, биотит и др.);
— среднюю – минерал раскалывается на обломки, на которых обнаруживается спайность (роговая обманка, авгит и др.);
— несовершенную – плоскости спайности обнаруживаются с трудом (апатит, берилл и др.).
При отсутствии спайности обломки минерала обладают неправильной формой (кварц, корунд и др.).
Излом в отличие от спайности не имеет правильных ориентированных блестящих поверхностей. Минералы, обладающие спайностью, дают ровный излом. У минералов, не имеющих плоскостей спайности, наблюдается раковистый излом (кварц, кремень и др.); у минералов игольчатого и волокнистого строения – занозистый излом (роговая обманка); у землистых агрегатов минералов – землистый излом (каолинит, пиролюзит, гетит).
Цвет минералов зависит от их структурных особенностей, присутствия в них окрашивающих ионов – хромофоров и механических примесей. Благодаря хромофорам и примесям цвет одного и того же минерала может быть различным.
Блеск минералов зависит от степени отражения от их поверхности лучей света. Различают металлический и неметаллический блеск. У последнего много разновидностей: алмазный (алмаз, сера), яркий или стеклянный (мусковит, кальцит, гипс и др.), жирный (кварц, нефелин и др.), восковой (офит, хальцедон), перламутровый (тальк, полевые шпаты и др.), шелковистые (гипс и др.), шелковый (хризотил-асбест), матовый или без блеска (каолинит, пиролюзит).
Строение (структура и текстура) минералов и горных пород позволяет судить об условиях их образования и свойствах.
Структура минералов может быть кристаллической, скрытокристаллической, аморфной (некристаллической, стекловидной) и др.
Стойкость – это способность минерала или горной породы противостоять атмосферным воздействиям, химическим реагентам и др.
К основным породообразующим минералам изверженных горных пород относятся следующие минералы:
Слюды относятся к классу силикатов, группе водных алюмосиликатов. Структура слоисто-кристаллическая. Спайность весьма совершенная в одном направлении. Блеск яркий, стеклянный, жирный. Твердость 2-3, слюды анизотропны по прочности, обладают средней стойкостью.
Являются нежелательными составляющими пород, поскольку снижают прочность и ускоряют выветривание горных пород, затрудняют их шлифовку и полировку.
Роговая обманка (амфиболы) и авгит (пироксены) относятся к классу силикатов, группе железисто-магнезиальных силикатов. Химический состав сложный, структура кристаллическая, Rсж=150. 300МПа, блеск стеклянный, стойкость к выветриванию высокая, твердость 5-6, цвет черный или темно-зеленый, в кислотах не растворяются, имеют высокую динамическую прочность.
К основным породообразующим минералам осадочных горных пород относят следующие минералы:
Горные породы
Свойства горных пород, главным образом, зависят от свойств породообразующих минералов и строения, т.е. от структуры и текстуры.
Структура горных пород характеризуется размером, формой слагающих ее минералов, количественным соотношением и характером связи между ними. Структура может быть кристаллической, пегматитовой, порфировой, зернистой, офитовой, зернисто-стекловатой и др.
Текстура горных пород характеризуется взаиморасположением или относительным распределением ее минералов. Текстура может быть однородной и неоднородной, слоистой, сланцеватой, плотной, пористой, полосчатой и др. Внешний вид горных пород, в основном, определяется их цветом и строением.
Для определения области использования горных пород в современном строительстве и промышленности строительных материалов принимаются следующие условные обозначения: Щ – щебень для бетона, Ш – шашка, такелажная и мозаиковая шашка, брусчатка для строительства дорог, Б – бутовый камень, БК – бортовой камень, К – камень для стен, П – плиты для полов, ОП – облицовочные плиты, С – ступени, СВВ – сырьё для вяжущих веществ, СО – сырье для огнеупоров, КЛ – сырье для каменного литья, СТМ – сырье для теплоизоляционных материалов.
Остановимся на характеристике некоторых горных пород и областях их использования.
Габбро – магматическая массивная глубинная горная порода. Цвет от темно-серого и темно-зеленого почти до черного. Состоит из плагиоклазов (
Кварцевый порфир – близок по составу к граниту, структура порфировая. Порфировые вкрапления (от долей миллиметра до 4…5 мм, редко до 1…1,5 см) представлены полевым шпатом и кварцем. Основная масса породы тонко- и мелкокристаллическая. Прочность плотных порфиров близка к прочности гранита, но порфиры быстрее разрушаются при колебаниях температуры вследствие различия температурных коэффициентов расширения вкрапленников и основной массы. Поэтому порфиры не рекомендуется применять для изготовления изделий, подвергающихся многократному замораживанию и оттаиванию (наружные облицовки и др.).
Дата добавления: 2018-11-24 ; просмотров: 1179 ;